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Die Erfindung bezieht sich auf Kegelrollenlager für den Antrieb eines Schienenfahrzeugs, insbesondere auf ein solches Kegelrollenlager, das auch beim Spritzschmierung möglicher Anfressbarkeit zwischen größerer Lagerrollenkante und Vorsprung an der Innenlaufbahn entgegenwirkend ist, ferner die Abreibung an der Seitenfläche der Tasche am Käfig verhüten kann.
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Beim Antrieb 2 eines Schienenfahrzeuges, wie es aus 7 ersichtlich ist, wird die Antriebskraft von der Antriebswelle 4 am Hauptantriebsmotor 3 über ein Ritzel 6 und ein Großzahnrad 7 auf die die Laufräder 9 tragende Welle 8 eingeleitet. Die das Ritzel 6 tragende Zahnwelle 5 ist von einem Kegelrollenlagerpaar 1 rotierend gelagert. Im Vergleich mit dem Großzahnrad 7 läuft das Ritzel 6 mit höherer Geschwindigkeit und auch unter größerer Belastung. Dem Kegelrollenlager 1 ist dementsprechend unter einer solchen Bedingung eine höhere Beständigkeit gegen Rotationsermüdung und auch Verlässlichkeit unentbehrlich.
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Das Kegelrollenlager 1 ist eine Art von Radiallager, das über Kegelrollen als Wälzkörper verfügt. Es besteht, wie in 8A ersichtlich ist, in seinen wichtigsten Elementen aus einer Innenlaufbahn 12, einer Außenlaufbahn 14 und einer Mehrzahl von Kegelrollen 13, die zwischen Innen- 12 und Außenlaufbahn 14 rotierend gehalten wird, und einem Käfig 15, der zum Halten der Kegelrollen 13 im bestimmten Abstand in der Umfangsrichtung dienen kann. An den Kegelrollen 13 ergibt sich während des Lagerbetriebs eine Schiebekraft von der Klein- 16 zur Großkante 17, der ein an der Großdurchmesserseite der Innenlaufbahn 12 angeordneter Vorsprung 18 entgegenwirkt. An der Großkante 17 der Kegelrolle 13 ist die Vertiefung 19 vorgesehen.
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Nach dem Stand der Technik kann der unerwünschte Stoßvorgang und darauf folgende Abreibung an der Seitenfläche an der Tasche dadurch vermieden werden, dass an der mit der Großkante
17 der Kegelrolle
13 in Berührung kommenden innendurchmesserseitigen Seitenfläche an der Tasche eine Schrägfläche parallel zu der Großkante
17 angeordnet wird; daraus ergibt sich, dass die Lebensdauer des Käfiges
15 verlängert werden kann (siehe hierzu die Offenlegungsschrift
JP 2000-130443 A ).
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Während des Lagerbetriebs gleitet die der Großkantenfläche 17 des Kegelrolle 13 gegenüberstehende Seitenfläche an der Tasche quer über die Schnittstelle zwischen der Vertiefung 19 der Kegelrolle 13 und der Großkantenfläche 17 und veranlasst dabei einen Stoßvorgang am Rand der Vertiefung. Dies hat zur Folge eine Lebensdauerverkürzung des Käfiges wegen des Abriebs und darauffolgende Gratbildung u. dgl. an der Seitenfläche an der Tasche.
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Beim Kegelrollenlager 1 als ein Lager für den Antrieb eines Schienenfahrzeuges kann zwar eine Spritzschmierung (Schmierverfahren mit Schleuderöl) unter Verwendung des Ineinandergreifens der Zahnräder zweckdienlich eingesetzt werden, jedoch hat dies bei der Anfahrphase insbesondere unter Tieftemperatur (z. B. –10 bis –20°C) gegebenfalls einen Schmiermangel zur Folge. Anderseits rotiert die Vertiefung 19 an der Großkantenfläche 17 der Kegelrolle 13 stets innerhalb der großdurchmesserseitigen Seitenfläche an der Tasche des Käfiges 15. Diese Umstand kann, wie es aus 8B ersichtlich ist, ein Stoßvorgang an der Grenzlinie der Vertiefung 19 veranlassen, die dabei den Abrieb an der großdurchmesserseitigen Seitenfläche an der Tasche des Käfiges 15 weiter fördert. Alles in allem kann der vorstehend angeführte Sachverhalt eine Störung wie Anfressung zwischen der Großkantenfläche 17 des Kegelrolle 13 und dem Vorsprung 18 am der Innenlaufbahn 12, ferner Abrieb an der Seitenfläche an der Tasche des Käfiges 15 bewirken.
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Aus der
DE 3520814 A1 ist ein Käfig für Schrägrollenlager bekannt. Auf der Seite größeren Durchmessers der Rollen sind im Käfig bleibende Verformungen plastisch ausgebildet worden, um das Axialspiel des Käfigs möglichst auszuschalten. Die Verformungen werden nach dem Zusammenbau des Lagers von außen auf den Käfig aufgebracht. Eine Verschleißreduzierung zwischen Käfig und Rollenwandfläche lässt sich dadurch aber nicht erreichen.
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Aus der
US 1,282,450 ist ein Kegelrollenlager bekannt, bei dem die Rollen auf ihrer Seite großen Durchmessers eine kegelförmige Vertiefung aufweisen. Über diese Vertiefung hinweg verläuft ein Käfigabschnitt, so dass bei axialem Kontakt zwischen Rolle und Käfig die Gefahr von Verschleiß durch erhöhte Reibung besteht.
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Aufgabe, die der Erfindung zugrundegelegt wird, ist einen Käfig für das Rollenlager anzuschaffen, der die Nachteile am Stand der Technik, insbesondere mögliches Anfressen wegen des Schmiermangels beim Anfahren und darauf folgenden Abriebs an der Seitenfläche an der Tasche beseitigen kann.
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Nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht das Kegelrollenlager aus einer Innen- und einer Außenlaufbahn, einer Vielzahl von Kegelrollen, die zwischen den beiden Laufbahnen rotierend angeordnet sind und einem Käfig, der mit einer Tasche 56 zum Lagern der Kegelrolle im bestimmten Abstand in der Umfangsrichtung versehen ist, wobei ein solcher Bereich in der großdurchmesserseitigen Seitenfläche an der Tasche, das der Großkantenfläche gegenüberliegt, mit einer Konvexfläche in der Umfangsrichtung ausgerüstet ist.
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Nach einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht das Kegelrollenlager aus einer Innen- und einer Außenlaufbahn, einer Vielzahl von Kegelrollen, die zwischen den beiden Laufbahnen rotierend angeordnet sind, und einem Käfig, der mit Fangräumen zum Lagern der Kegelrolle im bestimmten Abstand in der Umfangsrichtung versehen ist, wobei ein solcher Bereich in der großdurchmesserseitigen Seitenfläche der Tasche, das der Großkantenfläche gegenüberliegt, mit einer Konvexfläche in der Richtung der Plattendicke ausgerüstet ist.
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Die Lebensdauer des Käfiges kann dadurch verlängert werden, dass dem Stoßvorgang zwischen der Vertiefung an der Großkantenfläche der Kegelrolle und der großdurchmesserseitigen Seitenfläche der Tasche vorgebeugt und der Schmiervorgang erleichtert wird. Die Schutzwirkung gegen Anfressen am Vorsprung an der Innenlaufbahn kann dadurch verbessert werden, dass der Stoßvorgang und der Schmiermangel an der Großkantenfläche beseitigt wird.
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Die Höhe der Konvexfläche sollte vorteilhaft < 0.1 mm betragen. Sonst kann ein Stoßvorgang zwischen zwei Konvexflächen eintreten, so dass sich der entsprechende Flächendruckwert unerlaubt erhöht.
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Erfindungsgemäß ist das Kegelrollenlager u. a. dadurch gekennzeichnet, dass es aus einer Innen- und Außenlaufbahn, einer Vielzahl von Kegelrollen, die zwischen den beiden Laufbahnen angeordnet sind, und einem Käfig besteht, der mit Fangräumen zum Lagern der Kegelrollen im bestimmten Abstand in der Umfangsrichtung versehen ist, wobei der Durchmesser des Umkreises am Rand der Vertiefung an der Großkantenfläche der Kegelrolle kleiner als der Innendurchmesser der großdurchmesserseitigen Seitenfläche der Tasche eingestellt ist. Daraus ergibt sich, dass die Großkantenfläche der Kegelrolle und auch das beim Betriebsabschalten verbleibende Schmieröl vergrößert werden kann und somit das verbleibende Öl zur Schmierung wirkungsvoll beiträgt. Außerdem kann die Großkantenfläche als eine stabile und hochgenaue Kugelfläche angefertigt werden, denn die Großkantenfläche der Kegelrolle ist vergrößert. Dazu verschiebt sich der Berührungspunkt zwischen der Großkantenfläche der Kegelrolle und dem Vorsprung der Innenlaufbahn beim Kippvorgang der Kegelrolle von der Großkantenfläche in der Richtung nach dem Außendurchmesser der Kegelrolle, wobei sich die Kontaktellipse ausdehnen kann, was dazu führt, dass sich die Kantenspannung vergrößert und frühzeitiges Anfressen daran anschließend der Fall ist. Unter diesem Sachverhalt kann jedoch der kritische Kippwinkel der Ausdehnung an der Kontaktellipse dadurch vergrößert werden, dass die Schrägkante an der Großkantenfläche verkleinert wird. Im Falle, dass der Kippwinkel als der kritische Winkel herangezogen wird, kann der Rollenkontaktpunkt angenähert an die Bahnseite der Innenlaufbahn festgesetzt werden. Diese Maßnahme kann zur Drehmomentverminderung des Lagers dienen.
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Außerdem kann man den Anfangspunkt der Schrägkante an der Großkantenfläche und die außenseitige Endstelle der Aussparung am Vorsprung der Innenlaufbahn annäherend zusammenfallen lassen, wobei dem Anfressvorgang vorbeugt werden kann, auch wenn bei der Anfahrphase des Fahrzeuges die Versorgung des Schleuderöls unausreichend ist.
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Bei einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lagers ist das Lager außerdem mit einer Trennwand für den Ölsammler so ausgebildet, dass die Großkantenfläche der Kegelrolle in das Schmieröl eingetaucht wird. Dem Anfressen am Vorsprung kann somit vorbeugt werden, auch wenn bei der Anfahrphase die Versorgung des Schleuderöls unausreichend ist.
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Die Trennwand für den Ölsammler kann erforderlichenfalls aus einem mit der Außenlaufbahn kombinierten Metallring und einer mit dem Metallring integrierten elastischen Lippe bestehen. Unter Verwendung des oben angeführten Aufbaus kann ein Konuseinsatz und Außenlaufbahn ab- und zusammengebaut werden, ohne den Ölsammler abzumontieren. Weil der steife Metallring und die Außenlaufbahn miteinander fest kombiniert ist, kann der Konuseinsatz leicht abgebaut werden, ohne die Trennwand aus dem Ölsammler auslenken zu lassen.
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Die elastische Lippe kann gegebenfalls mit einer Dünnwand versehen sein; dies hat zur Folge, dass die elastische Lippe örtlich ihre Steifigkeit verliert, was dazu führt, dass der Konuseinsatz an der Außenlaufbahn leichter abzieh- und einsteckbar wird und der Ab- und Zusammenbau somit weiter erleichtert wird.
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Im folgenden wird die Ausführungsform in Bezug auf die anliegenden Schaubilder erläutert. Es zeigen:
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1A einen Teilgrundriß des Berührungspunktes zwischen dem Käfig und der Kegelrolle;
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1B eine Frontansicht der 1A;
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1C einen Teilschnitt des Berührungspunktes zwischen dem Käfig und der Kegelrolle;
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1D eine Seitenansicht der 1C;
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2A einen Teilschnitt des Kegelrollenlagers;
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2B eine Ansicht B der 2A;
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3 eine schaubildliche Darstellung des Käfiges;
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4A eine ausführliche Schnittzeichnung des Berührungspunktes zwischen dem Vorsprung der Innenlaufbahn und der Kegelrolle;
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4B eine Ansicht B der 4A;
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5 eine Schnittzeichnung des Kegelrollelagers;
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6A Details vom Hauptteil des in 5 dargestellten Kegelrollenlagers;
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6B Details der in 5 dargestellten Trennwand für den Ölsammler;
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6C Details der als sonstiges Beispiel dargestellter Trennwand für den Ölsammler;
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7 eine Schnittzeichnung des Antriebs für das Schienenfahrzeug als Stand der Technik;
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8A eine Schnittzeichnung des in 7 dargestellten Kegelrollenlagers (Stand der Technik);
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8B eine Ansicht B der 8A (Stand der Technik);
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9 einen Teilgrundriß, der der 1A entspricht;
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10 einen Teilschnitt, der der 1C entspricht.
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Der fundamentale Aufbau des Kegelrollenlagers wird in Bezug auf 2A und 3 erläutert. Das Kegelrollenlager besteht aus folgenden Hauptbauteilen: einer Innenlaufbahn 20, einer Vielzahl von Kegelrollen 30, einer Außenlaufbahn 40 und einem Käfig 50.
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Die Innenlaufbahn 20, auch Konus genannt, ist mit der kegeligen Bahn 22 auf dem zugehörigen Außenumfang ausgerüstet. An der Innenlaufbahn 20 ist der von der Kleindurchmesserseite der Bahn 22 nach außen hinausragende Kleinvorsprung 24 und der von der Großdurchmesserseite der Bahn 22 nach außen hinausragende Großvorsprung 26 vergesehen. Der Großvorsprung 26 ist auf der Rückseite der Bahn 22 angeordnet und dient dazu, die Kegelrollen 30 zu führen und der an der Großkantenfläche 36 der Kegelrolle 30 entstandenen Schiebekraft entgegenzuwirken. Die Oberfläche des Großvorsprungs wird mit 28 gezeichnet. Die Aussparung zwischen der Bahn 22 und der Oberfläche 28 des Großvorsprungs wird mit 27 bezeichnet (siehe 4A). Die Außenlaufbahn 40 wird mit „Becher” bezeichnet und ist mit einer kegeligen Bahn 42 auf der Innenumfangsfläche ausgerüstet.
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Eine Vielzahl von den Kegelrollen 30 ist zwischen der Bahn 22 der Innenlaufbahn 20 und der Bahn 42 der Außenlaufbahn 40 rotierend angeordnet. Die Rollenoberfläche 32, d. h. die mit der Bahn 22 und 42 in Rollenberührung stehende Oberfläche einer jeden Kegelrolle 30, ist im Wesentlichen kegelförmig ausgebildet. Die Rollenkante mit kleinem Durchmesser der Rollenoberfläche 32 wird mit Kleinkantenfläche 34 und die Rollenkante mit großem Durchmesser der Rollenoberfläche 32 mit Großkantenfläche 36 bezeichnet. Zur Erleichterung der nachfolgenden Schleifarbeit wird die kreisförmige Vertiefung 38 an der Großkantenfläche 36 beim Schmieden erzeugt.
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Der Käfig 50 für die Kegelrollen 30 mit einer Form eines Kegeltrapezes besteht, wie es aus der 3 ersichtlich ist, aus einem Paar von Ringen 52a, 52b mit einem Abstand in der Achsrichtung dazwischen, einer Vielzahl von die beiden Ringe 52a, 52b verbindenden, radial geführten Säulen 54 mit einem bestimmten Abstand in der Umfangsrichtung und einem radial nach innen ausgedehnten Verstärkungsring 52C an der innendurchmesserseitigen Kante des Rings 52b. Zwischen den benachbarten Säulen 54 sind Taschen 56 mit einer trapezfensterartigen Gestalt zur Aufnahme der Kegelrollen 30 vorgesehen.
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Beim Kegelrollenlager wirkt eine aus den von den Bahnen 22, 42 auf die Kegelrolle 30 abgeleiteten Belastungen resultierende Kraft auf die Kegelrolle 30 in der Richtung auf deren Großkantenseite 36, was dazu führt, dass die Großkantenfläche 36 der Kegelrolle 30 gegen die Großvorsprungsfläche 28 der Innenlaufbahn 20 gedrückt und dann entlang dieser Fläche geführt wird. Daraus ergibt sich ein Gleitkontakt.
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Im folgenden werden die von der Erfindung nicht erfassten Ausführungsformen in den 1A bis 1D erläutert. Bei den Ausführungsformen in der 1A ist die mit der Großkantenfläche 36 der Kegelrolle 30 in Berührung stehende großdurchmesserseitige Seitenfläche 58 der Tasche am Käfig 50 in der Umfangsrichtung, d. h. in einer Ebene gesehen, konvexförmig gestaltet (siehe hierzu 9). In diesem Falle stößt die Großkantenfläche 36 der Kegelrolle 30 gegen die Seitenfläche 58 der Tasche im schraffierten Bereich der 1B.
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Bei der Ausführungsform in der 1C ist die mit der Großkantenoberfläche 36 der Kegelrolle 30 in Berührung stehende großdurchmesserseitige Seitenfläche 58 der Tasche am Käfig 50 in der Richtung der Plattendicke, d. h. in dem die Achse enthaltenden Querschnitt, konvexförmig gestaltet (siehe hierzu 10), wobei die Kontaktfläche zwischen der Großkantenfläche 36 der Kegelrolle 30 und der Seitenfläche 58 der Tasche mit dem schraffierten Bereich der 1D angegeben wird.
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Auf diese Weise dient die konvex gestaltete Seitenfläche 58 der Tasche am Käfig 50 dazu, einem Zusammenstoßen an der Verbindungsstelle zwischen der Großkantenfläche 36 der Kegelrolle 30 und der Vertiefung 38 vorzubeugen, so dass der Abrieb wegen des Stoßvorgangs vermindert werden kann. Außerdem erlaubt die konvexförmige Seitenfläche 58 des Käfigs 50 über einen Raum für den Ölsammler auf den beiden Kantenseiten (Eckenabrundungsseiten) in der 1A gezielt auf die Schmierung am Kontaktbereich am Käfig 50 zu verfügen, so dass der Abrieb am Kontaktbereich vermindert werden kann. Als Raum dient ein geringfügiger Platz zwischen der Großkantenfläche 36 der Kegelrolle 30 und der Seitenfläche 58 der Tasche der Käfiges 50, der zusätzlich eine Kapillarwirkung erwarten lässt, so dass der Ölgehalt um so mehr steigt.
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Bei den Ausführungsbeispielen in 2A und 2B ist die Vertiefung 38 an der Großkantenfläche 36 der Kegelrolle 30 kleiner ausgeführt. In diesem Falle wird der Durchmesser des Umkreises am Rand der kreisförmigen Vertiefung 38 kleiner als der Innendurchmesser der großdurchmesserseitigen Seitenfläche 58 der Tasche am Käfig 50 eingestellt. Daraus ergibt sich, dass beim Rotieren der Kegelrolle 30 die Außengrenze der Vertiefung 38, wie aus 2B ersichtlich ist, nicht mehr die Innenwandfläche durchläuft, so dass der mögliche Stoßvorgang an der Ecke vollständig vermieden werden kann.
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Bei den Ausführungsformen in 4A und 4B ist die Schrägkante 37 an der Großkantenfläche 36 der Kegelrolle 30 (gestrichelt angegeben) verkleinert. Die dementsprechend entstandene Zunahme des Bereichs, in dem die Großkantenfläche 36 der Kegelrolle 30 und der Großvorsprung 28 der Innenlaufbahn 20 aneinander angrenzen, ist in 4A mit dem Zeichen „S” und in der 4B mit einer Kreuzschraffierung angegeben. Die Zunahme des obengenannten Berührungsbereichs zwischen der Großkantenfläche 36 der Kegelrolle 30 und der Großvorsprungsfläche 28 der Innenlaufbahn 20 ergibt eine Erhöhung des auf die Kapillarwirkung zurückzuführenden Ölgehaltes, so dass die anhaftende Ölmenge an der Großkantenfläche 36 der Kegelrolle 30 entsprechend gesteigert wird.
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Außerdem wird die Dehnbarkeit der Kontaktellipse zwischen der Großkantenfläche 36 der Kegelrolle 30 und der Großvorsprungsfläche 28 der Innenlaufbahn 20 beim Abschrägen der Kegelrolle 30 unterdrückt.
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In der Praxis sollte die verkleinerte Schrägkante vorteilhaft 1,5 bis 3,0% des Kegelrollendurchmessers (stimmt annähernd mit der Aussparung 27 am Großvorsprung 26 der Innenlaufbahn 20 überein) betragen, während bei der bisherigen Schrägkante (gestrichelt) 3 bis 5% üblich ist. Falls die Schrägkante jedoch 1,5% unterschreitet, kann ein Stoßvorgang gegen den Aussparungsbereich 27 auftreten, wobei auch die Lebensdauer des Werkzeuges bei der plastischen Verformung (Anstauchen) der Kegelrolle 30 erheblich reduziert wird.
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Bei den Ausführungsformen in 5 und 6A bis 6C wird ein Ölsammler mit einer Trennwand 60 als Hilfe beim Schmiervorgang in der Anfahrstufe verwendet. Die Trennwand 60 kann, wie es aus 6A ersichtlich ist, einen solchen Innendurchmesserbereich an der Großkantenfläch 36 aufweisen, dass die Kegelrolle 30 in das Öl hineintauchen kann.
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Das Bauelement, bestehend aus Innenlaufbahn 20, Kegelrolle 30 und Käfig 50, wird gegebenenfalls als Konuseinsatz benannt. Die Trennwand 60 für den Ölsammler kann, wie es aus 6B ersichtlich ist, ein Mehrstoffkörper aus Metallring 62 und elastischen Lippe 64 sein, so dass der Konuseinsatz 20, 30, 50 und die Außenlaufbahn 40 getrennt werden, ohne dass die Trennwand 60 dabei abgebaut werden muss. Der Metallring 62 mit dem L-förmigen Querschnitt besteht aus dem an die Außenlaufbahn 40 angekoppelten Zylinderteil 62a und dem an einem Ende des Zylinderteils 62a auf der Innendurchmesserseite nach Innen abgebogenen Flanschteil 62b. Der Zylinderteil 62a ist an der Umfangsfläche des anderen Endes mit einem in der Rille 44 an der Außenlaufbahn 40 vorgesehenen Vorsprung 62C versehen. Der Innendurchmesser d des Flanschteils 62b ist kleiner als der Durchmesser des Umkreises für den Konuseinsatz (20, 30, 50).
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Die elastische Lippe 64 besteht aus elastischem Werkstoff, wie Nitrilgummi oder sonstigen Gummiprodukten. Die elastische Lippe 64 kann mit dem Metallring 62 einbrennend integriert werden. Wenn der Metallring 62 an der Außenseite mit Gummi beschichtet ist (siehe Zeichen 63 in 6C), wird die Dichtigkeit des Ölsammlers entsprechend verbessert. Die Ölspiegelhöhe wird, wie es aus 6A ersichtlich ist, von dem Innendurchmesser der elastischen Lippe 64 bestimmt. Der Ölspiegel sollte vorteilhaft annähernd in das Rollenzentrum der niedrigst gelegenen Kegelrolle 30 eingestellt werden. Unter Rollenzentrum versteht man ein Rollenzentrum in der Mitte der Längsachse. Der von dem Zentrum der Großkantenfläche 36 der Kegelrolle 30 vorgesehene Ölspiegel in 6A deutet an, dass, was den Schmiervorgang zwischen dem Käfig 50 und der Großkantenfläche 36 der Kegelrolle 30 anbelangt, der Ölspiegel mindestens innerhalb der Seitenfläche 58 der Tasche im Käfig 50 erhalten bleiben soll.
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Außerdem kann der Dünnwandteil 66 in die elastische Lippe 64 eingebaut werden, wodurch die elastische Lippe 64 lokal biegsam gemacht wird, so dass die elastische Lippe 64 ohne übermäßige Krafteinwirkung leicht gebogen (trichterartig ausgedehnt) werden kann. Daraus ergibt sich, dass die Außenlaufbahn 40 und der Konuseinsatz (20, 30, 50) noch leichter ab- und zusammenbaubar sind.
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Die oben in 5 und 6A bis 6C angegebene Bauweise ist nicht nur im Kegelrollenlager sondern auch im Rollenlager mit Kranz gleichsam einsetzbar.
